基于客车空气悬架控制系统的仿真分析
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【摘要】由于电控空气悬架振动控制系统为复杂的非线性系统，本文采用了不依赖于被控对象精确数学模型的模糊控制策略对空气悬架控制系统进行了仿真分析。在仿真分析过程中，建立了两自由度的1/4空气悬架动力学模型；同时考虑到路面扰动输入对汽车悬架控制的影响，建立了随机路面不平度的数学模型，并在时域内对其仿真。仿真结果表明，使用模糊控制算法可以有效衰减簧载质量垂直加速度，改善了汽车的行驶平顺性。
【关键词】缸内直喷；电控系统；硬件模块
一、引言
建立汽车悬架的动力学模型是进行整车性能分析和系统设计的基础。建立模型基础就是利用外界物理参数描述输入，系统本身和系统输出之间的关系。悬架系统是一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统，理论上讲建立的模型自由度越多越接近汽车的时间情况，但对其动力学特性进行精准的描述和分析是非常困难的。
目前比较成熟的整车模型主要有三种：
（1）两自由度1/4车辆模型；
（2）四自由度1/2车辆模型；
（3）七（八、九）自由度正常模型。1/4车辆模型虽然没有包括汽车的整体几何信息，也无法用它来研究汽车俯仰角振动及侧倾角振动，但它包含了实际问题中的绝大部分基本特征，如负载变化和悬架系统受力的信息等，所以可以用来研究不平路面激励引起车体的垂直振动。
二、1/4车辆悬架模型的建立
由于1/4车辆模型结构简单，又包含了汽车平顺性分析的主要特征，因此在研究电控空气悬架控制策略中被广泛应用。在本文中决定采用两自由度1/4车辆模型，如图1所示。
图1 两自由度1/4车辆悬架模型
根据牛顿第二定律，可以列出该模型动力学微分方程：
式中M为簧载质量，m为非簧载质量；Kt为轮胎径向刚度系数；Ks为悬架刚度系数；Cs为减振器阻尼系数；xs、xt、xr分别代表簧载质量、非簧载质量及路面激励的位移量。
图2 两自由度车辆动力学模型
根据二自由度的车辆的动力学微分方程，可以利用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立系统动力学模型，系统动力学模型如图2所示。在模型中，接口in1和in2分别代表悬架刚度的实时变化和路面对系统的随机干扰，out1则代表簧载质量垂直方向加速度响应。
三、1/4车辆模型仿真及结果分析
本文采用亚星牌YBL6891H大型客车满载时的基本数据，所设定的约束条件是悬架的动行程，悬架的最大允许动行程为±10mm，由此可以得到对簧载质量加速度及动载荷的分析对比。在B级随机路面上对车速50Km/h以及C级随机路面时速80Km/h两种工况下对比分析，然后计算出簧载质量加速度以及动载荷的均方根值和峰值，通过对比得出模糊控制算法在提高平顺性方面的效果。
仿真图形如图3和图4所示，加入模糊控制算法后对空气悬架的簧载质量加速度衰减起了一定作用，对簧载加速度的分析可以通过表1来做进一步说明。
表1给出了两种悬架系统簧载质量加速度均方根值和峰值。可以看出，在行驶工况变化的情况下仍然有较好的控制效果，对于外界干扰的变化具有良好的适应能力。
根据动载荷仿真图形5和6可知，添加模糊控制算法后对空气悬架的动载荷衰减也起了一定作用，对动载荷的分析可以通过表2来做进一步分析说明。
表2给出了两种悬架系统悬架动载荷的均方根值和峰值。可以看出，在引入模糊控制算法后，轮胎对地面的破坏有所降低，在行驶工况变化的情况下仍然有较好的控制效果。
在悬架的的仿真分析过程中，由于对悬架的动行程进行了约束，因此被动空气悬架和模糊控制空气悬架的动行程没有太大的差别。但是通过对簧载质量加速度和动载荷的分析可知，加入模糊控制算法对簧载质量加速度和动载荷都起到了衰减作用。
四、结论
本文根据模糊控制原理对控制器进行了设计，并利用Matlab/Simulink建立了1/4半主动空气悬架车辆模型及随机路面模型。根据仿真结果分析可知，在以动行程为约束的条件下，空气悬架采用了模糊控制算法后簧载质量垂直加速度和悬架动载荷均有下降，减少了对路面的损坏，同时提高了车辆行驶平顺性，表明模糊控制具有良好的效果。
参考文献
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作者简介：牟东（1987—），男，山东日照人，研究方向：汽车运用工程。